Il cambiamento climatico e le emissioni di gas serra, insieme alla necessità di energie rinnovabili e un futuro più sostenibile, stanno spingendo l'economia globale verso la mobilità elettrica. Per avere successo, l'adozione di veicoli elettrici (EV) e altri processi di elettrificazione in corso richiedono la disponibilità di batterie più efficienti, economiche e sicure. Negli ultimi anni sono stati spesi enormi sforzi e investimenti per creare batterie di nuova generazione, principalmente concentrandosi sulla chimica delle batterie, nuove formule chimiche e nuovi materiali come batterie al litio-zolfo e al litio-metallo.
Addionics, una startup israeliana/britannica, ha seguito un approccio diverso rispetto ad altre aziende, concentrandosi sulla fisica invece che sulla chimica. L'approccio indipendente dalla chimica di Addionics significa che può ancora beneficiare dei progressi della chimica mentre introduce nuove tecnologie nella fisica delle batterie attraverso un design fisico innovativo della cella della batteria. La nuova architettura della batteria ottiene significativi miglioramenti delle prestazioni in una varietà di dimensioni senza richiedere alcun cambiamento nella chimica della batteria.
"Gli elettrodi delle batterie di oggi sono fabbricati utilizzando pellicole di alluminio molto sottili, simili al normale foglio di alluminio che utilizziamo per avvolgere il cibo", ha affermato Vladimir Yufit, CTO di Addionics. “Il loro scopo è raccogliere corrente dai materiali attivi della batteria, e questo approccio è lo stesso da decenni. La nostra idea era quella di prendere questa lamina sottile e renderla tridimensionale, con un design e un'architettura diversi. L'obiettivo dell'azienda è progettare questi elettrodi metallici porosi tridimensionali, produrli e costruire batterie basate su questo avanzato la tecnologia. "
Prendendo la struttura a strati 2D degli elettrodi e sostituendola con una struttura 3D integrata, Addionics ha sviluppato una tecnologia in grado di migliorare notevolmente le prestazioni della batteria, riducendo i costi e i tempi di ricarica, aumentando al contempo la densità di potenza e l'energia della batteria. Il metodo di fabbricazione del metallo 3D brevettato e scalabile riduce al minimo la resistenza interna e migliora la longevità meccanica, la stabilità termica e altre limitazioni tipiche e fattori di degradazione che si possono trovare nelle batterie standard.
Le batterie di oggi devono affrontare un compromesso tra energia e potenza: possono immagazzinare più energia oppure possono caricarsi e scaricarsi più rapidamente. Per le applicazioni EV, ciò significa che non esiste una batteria in grado di fornire allo stesso tempo una lunga autonomia e una ricarica rapida. Un altro problema relativo all'attuale tecnologia delle batterie è il cosiddetto disadattamento anodo-catodo. Gli ultimi progressi nella chimica delle batterie agli ioni di litio comprendono l'uso del silicio nell'anodo della batteria invece della semplice grafite pura.
Sfortunatamente, le odierne chimiche dominanti del catodo non sono in grado di eguagliare gli alti livelli di energia dell'anodo, limitando l'introduzione di queste nuove tecnologie. Addionics fornisce una soluzione a entrambi questi due problemi chiave ridisegnando la cella. Inoltre, la tecnologia Addionics può essere applicata sia agli anodi che ai catodi, il che significa che è possibile costruire catodi più spessi e ad alta energia utilizzando un'architettura avanzata. I catodi con queste strutture 3D avranno un'energia più elevata e corrisponderanno alla capacità delle tecnologie emergenti degli anodi ad alta energia.
“La nostra soluzione adotta un approccio fisico, non chimico; ciò significa che possiamo lavorare con quasi tutti i tipi di chimica delle batterie e possiamo adattare la nostra tecnologia a nuove normative o nuovi materiali", ha affermato Yufit.
I prodotti chimici delle batterie esistenti possono migliorare le loro prestazioni con gli elettrodi 3D e i prodotti chimici avanzati emergenti possono superare le sfide di implementazione attraverso le strutture 3D. Addionics ha già dimostrato il vantaggio degli elettrodi 3D con vari tipi di chimica.
Figura 1: design della cella 3D di Addionics (fonte: Addionics)
Elettrodo in metallo poroso
L'idea di base di Addionics è quella di realizzare elettrodi 3D altamente porosi che sostituiscano le classiche lamine metalliche. In questo modo è possibile aumentare notevolmente la superficie esterna degli elettrodi stessi, con risultati positivi sul funzionamento delle celle. Avere una struttura 3D consente un migliore trasporto dell'elettrolito e, di conseguenza, una minore resistenza interna. La Figura 1 fornisce un confronto tra la struttura della batteria convenzionale (a sinistra) e il design della cella 3D di Addionics (a destra).
Nella struttura della batteria convenzionale, il materiale attivo (nero e viola) è rivestito su una lamina metallica 2D nelle strutture dell'anodo e del catodo, mentre nel design delle celle 3D di Addionics (elettrodi 3D), gli elettrodi integrati con materiale attivo sono incorporati all'interno del metallo 3D. Passando ai design degli elettrodi 3D, le batterie possono ottenere tre miglioramenti chiave delle prestazioni: maggiore densità di energia, minore resistenza interna e prestazioni più sicure e più durature grazie a una migliore dissipazione del calore e una maggiore stabilità meccanica.
La struttura porosa inventata da Addionics aumenta le prestazioni senza intaccare il funzionamento dell'elettrodo, che rimane omogeneo e stabile anche all'aumentare della potenza utilizzata per la carica. Ciò significa che con un elettrodo 3D, una batteria agli ioni di litio può durare il doppio, ricaricarsi più velocemente e consentire un aumento dell'autonomia dei veicoli elettrici. La Figura 2 mostra come gli elettrodi 3D possono aumentare la durata della batteria. Il primo prototipo di cella a sacchetto Addionics (verde) ha dimostrato più di 2,000 cicli con solo il 20% di degradazione della capacità, rispetto alle celle standard basate su un foglio (nero).
Figura 2: È stato dimostrato che la tecnologia degli elettrodi 3D di Addionics aumenta la durata della batteria. (Fonte: Additivi)
Addionics ha anche sviluppato un approccio innovativo alla produzione che non solo produce strutture 3D a un costo competitivo sul mercato, ma può anche ridurre i costi. Per ottimizzare il design della struttura metallica 3D, Addionics ha sviluppato un software avanzato di modellazione della batteria basato sull'intelligenza artificiale che guida il processo di produzione per creare strutture ottimali. Infine, per implementare con successo le strutture delle batterie 3D su larga scala, è necessario sviluppare nuovi processi di rivestimento per rivestire in modo uniforme le strutture metalliche 3D.
Addionics ha partnership con grandi aziende per sviluppare batterie, comprese quelle che lavorano allo sviluppo di veicoli elettrici e propulsori. "Il nostro obiettivo ambizioso è inserire le nostre batterie in ogni veicolo elettrico", ha affermato Yufit. “Mentre la nostra tecnologia può essere utilizzata dagli OEM, le nostre applicazioni possono essere utili anche nell'elettronica di consumo, che può essere ancora più critica poiché questi dispositivi possono utilizzare batterie sempre più piccole a causa dei limiti di spazio molto ristretti. Attualmente siamo concentrati sul miglioramento della densità energetica in tre principali chimiche delle batterie: silicio, LFP [fosfato di ferro e litio] e stato solido.
L'articolo originariamente pubblicato sulla pubblicazione sorella Power Electronics News.